Princippet om drift og design af et termoelement er ekstremt simpelt. Dette førte til populariteten af denne enhed og dens udbredte anvendelse i alle grene af videnskab og teknologi. Termoelementet er designet til at måle temperaturer i et bredt interval - fra -270 til 2500 grader Celsius. Enheden har været en uundværlig assistent for ingeniører og forskere i årtier. Det fungerer pålideligt og fejlfrit, og temperaturaflæsningerne er altid sande. En mere perfekt og nøjagtig enhed findes simpelthen ikke. Alle moderne enheder fungerer på termoelementprincippet. De arbejder under vanskelige forhold.
Termoelementopgave
Denne enhed konverterer termisk energi til elektrisk strøm og tillader temperaturmåling. I modsætning til traditionelle kviksølvtermometre er den i stand til at fungere under forhold med ekstremt lave og ekstremt høje temperaturer. Denne funktion har ført til udbredt anvendelse af termoelementer i en lang række installationer: industrielle metallurgiske ovne, gaskedler, vakuumkamre til kemisk varmebehandling, ovn til husholdningsgaskomfurer. Princippet om drift af et termoelement forbliver altid uændret og afhænger ikke af den enhed, hvori det er monteret.
Pålidelig og uafbrudt drift af termoelementet afhænger af funktionen af udstyrets nødlukningssystem i tilfælde af overskridelse af de tilladte temperaturgrænser. Derfor skal denne enhed være pålidelig og give nøjagtige aflæsninger for ikke at bringe folks liv i fare.
Fordele ved at bruge termoelementer
Fordelene ved at bruge sådanne enheder til temperaturregulering, uanset anvendelse, inkluderer:
- en lang række indikatorer, der kan optages ved hjælp af et termoelement;
- lodning af termoelementet, som er direkte involveret i aflæsning, kan placeres i direkte kontakt med målepunktet;
- Enkel proces til fremstilling af termoelementer, deres styrke og holdbarhed.
Sådan fungerer termoelementet
Et termoelement har tre hovedelementer. Disse er to ledere af elektricitet fra forskellige materialer samt et beskyttende rør. De to ender af lederne (også kaldet termoelektroder) er loddet, og de to andre er forbundet til et potentiometer (temperaturmåler).
Enkelt sagt er princippet for et termoelements drift, at krydset mellem termoelektroder placeres i et miljø, hvis temperatur skal måles. I overensstemmelse med Seebeck-reglen opstår der en potentiel forskel på lederne (ellers termoelektricitet). Jo højere temperaturen på mediet er, jo mere signifikant er potentialforskellen. Følgelig afviger enhedens pil mere.
I moderne målekomplekser har digitale temperaturindikatorer erstattet den mekaniske enhed. Imidlertid er den nye enhed langt fra altid bedre i sine egenskaber end de gamle enheder fra den sovjetiske æra. På tekniske universiteter og i forskningsinstitutioner bruger de den dag i dag potentiometre for 20-30 år siden. Og de udviser forbløffende målenøjagtighed og stabilitet.
Typer af enheder
Hver type termoelement har sin egen betegnelse, og de er opdelt efter den almindeligt accepterede standard. Hver type elektrode har sin egen forkortelse: TXA, TXK, TBR osv. Omformere distribueres i henhold til klassificeringen:
- Type E - er en legering af krom og konstantan. Karakteristikken ved denne enhed anses for at være høj følsomhed og ydeevne. Dette er især velegnet til brug ved ekstremt lave temperaturer.
- J - henviser til en legering af jern og konstantan. Den har høj følsomhed, som kan nå op til 50 μV / ° C.
- Type K betragtes som den mest populære kromel / aluminiumslegering. Disse termoelementer kan registrere temperaturer fra -200 ° C til +1350 ° C. Enhederne bruges i kredsløb placeret under ikke-oxiderende og inerte forhold uden tegn på ældning. Når enhederne bruges i et ret surt miljø, korroderer chromel hurtigt og bliver ubrugeligt til måling af temperaturen med et termoelement.
- Type M - repræsenterer legeringer af nikkel med molybdæn eller cobalt. Enhederne tåler op til 1400 ° C og bruges i installationer, der fungerer efter princippet om vakuumovne.
- Type N - nichrosil-nisil-enheder, hvis forskel anses for at være modstandsdygtig over for oxidation. De bruges til at måle temperaturer i området fra -270 til +1300 ° C.
Det vil være interessant for dig Enheden, driftsprincippet og anvendelsen af superkondensatoren
Der er termoelementer lavet af rhodium og platinlegeringer. De tilhører type B, S, R og betragtes som de mest stabile enheder. Ulemperne ved disse omformere inkluderer høj pris og lav følsomhed.
Ved høje temperaturer anvendes enheder lavet af rhenium og wolframlegeringer i vid udstrækning. Desuden kan termoelementer i henhold til deres formål og driftsforhold være nedsænkelige og overflade.
Efter design har enhederne en statisk og bevægelig samling eller flange. Termoelektriske konvertere anvendes i vid udstrækning i computere, som normalt er forbundet via en COM-port og er designet til at måle temperaturen inde i kabinettet.
Seebeck-effekt
Princippet om drift af et termoelement er baseret på dette fysiske fænomen. Bundlinjen er denne: Hvis du forbinder to ledere lavet af forskellige materialer (nogle gange bruges halvledere), så cirkulerer en strøm langs et sådant elektrisk kredsløb.
Hvis ledningsforbindelsen således opvarmes og afkøles, svinger potentiometernålen. Strømmen kan også detekteres ved hjælp af et galvanometer tilsluttet kredsløbet.
I tilfælde af at lederne er lavet af det samme materiale, vil den elektromotoriske kraft ikke opstå henholdsvis, det er ikke muligt at måle temperaturen.
Termoelementforbindelsesdiagram
De mest almindelige metoder til tilslutning af måleinstrumenter til termoelementer er den såkaldte enkle metode såvel som den differentierede. Essensen af den første metode er som følger: Enheden (potentiometer eller galvanometer) er direkte forbundet til to ledere. Med den differentierede metode loddes ikke en, men begge ender af lederne, mens en af elektroderne "brydes" af måleenheden.
Det er umuligt ikke at nævne den såkaldte fjernmetode til at forbinde et termoelement. Driftsprincippet forbliver uændret. Den eneste forskel er, at forlængerledninger føjes til kredsløbet. Til disse formål er en almindelig kobberledning ikke egnet, da kompensationstrådene nødvendigvis skal være lavet af de samme materialer som termoelementledere.
Ulemper ved måling af temperatur med et termoelement
Ulemperne ved at bruge et termoelement inkluderer:
- Behovet for konstant overvågning af temperaturen på termoelementets "kolde" kontakt. Dette er et særpræg ved design af måleinstrumenter, der er baseret på et termoelement. Funktionsprincippet for denne ordning indsnævrer anvendelsesområdet. De kan kun bruges, hvis omgivelsestemperaturen er lavere end temperaturen på målepunktet.
- Overtrædelse af den indre struktur af metaller, der anvendes til fremstilling af et termoelement.Faktum er, at som følge af indflydelsen fra det eksterne miljø mister kontakterne deres homogenitet, hvilket forårsager fejl i de opnåede temperaturindikatorer.
- Under måleprocessen udsættes termoelementkontaktgruppen normalt for negative miljøpåvirkninger, hvilket forårsager funktionsfejl under drift. Dette kræver igen forsegling af kontakterne, hvilket medfører yderligere vedligeholdelsesomkostninger for sådanne sensorer.
- Der er fare for, at elektromagnetiske bølger påvirker termoelementet, som er designet med en lang kontaktgruppe. Dette kan også påvirke måleresultaterne.
- I nogle tilfælde er der en krænkelse af det lineære forhold mellem den elektriske strøm, der opstår i termoelementet og temperaturen på målepunktet. Denne situation kræver kalibrering af kontroludstyret.
Ledermaterialer
Princippet om drift af et termoelement er baseret på forekomsten af en potentiel forskel i ledere. Derfor skal valget af elektrodematerialer kontaktes meget ansvarligt. Forskellen i metals kemiske og fysiske egenskaber er den vigtigste faktor i driften af et termoelement, hvis enhed og funktionsprincip er baseret på fremkomsten af en EMF for selvinduktion (potentialforskel) i kredsløbet.
Teknisk rene metaller er ikke egnede til brug som termoelement (med undtagelse af ARMCO-jern). Forskellige legeringer af ikke-jernholdige og ædle metaller anvendes ofte. Sådanne materialer har stabile fysiske og kemiske egenskaber, så temperaturaflæsninger altid vil være nøjagtige og objektive. Stabilitet og præcision er nøglekvaliteter i organisationen af eksperimentet og produktionsprocessen.
I øjeblikket er de mest almindelige termoelementer af følgende typer: E, J, K.
Princippet om drift og struktur af termoelementer
Termoelementet består af to ledere og et rør, der fungerer som en beskyttelse for termoelektroder. Termoelektroder består af uædle metaller og ædle metaller, ofte legeringer, fastgjort til hinanden i den ene ende (arbejdsende eller varm krydsning), så de danner en af delene af enheden. De andre ender af termoelementet (stigerør eller koldt kryds) er forbundet til spændingsmåleren. En EMF forekommer midt i to ikke-tilsluttede terminaler, værdien afhænger af temperaturen på arbejdsenden.
Identiske termiske omformere kombineret parallelt lukker kredsløbet, ifølge Seebeck-reglen vil vi overveje denne regel yderligere, der dannes en kontaktpotentialeforskel eller termoelektrisk effekt mellem dem, elektriske ladninger vises på lederne, når de rører ved, der opstår en potentiel forskel mellem deres frie ender, og det afhænger af temperaturforskellen. Først når temperaturen mellem termoelektroderne er den samme, er potentialforskellen lig med nul.
For eksempel: Ved at placere et kryds med koefficienter, der er forskellige fra nul, i to kogende gryder med væske, er temperaturen på den første 50, og den anden er 45, så er potentialforskellen 5.
Den potentielle forskel bestemmes af temperaturforskellen mellem kilderne. Materialet, som termoelementelektroderne er fremstillet af, afhænger også af. Eksempel: Et termoelement Chromel-Alumel har en temperaturkoefficient på 41, og en Chromel-Constantan har en koefficient på 68.
Termoelement type K
Dette er måske den mest almindelige og udbredte type termoelement. Et par kromeluminium fungerer godt ved temperaturer fra -200 til 1350 grader Celsius. Denne type termoelement er meget følsom og registrerer endda et lille temperaturstig. Takket være dette sæt af parametre bruges termoelementet både i produktion og i videnskabelig forskning. Men det har også en væsentlig ulempe - indflydelsen af sammensætningen af arbejdstemperaturen. Så hvis denne type termoelement fungerer i et CO2-miljø, giver termoelementet forkerte aflæsninger.Denne funktion begrænser brugen af denne type enhed. Kredsløbet og funktionsprincippet for termoelementet forbliver uændret. Den eneste forskel er i elektrodernes kemiske sammensætning.
Typer termoelementer
Tekniske krav til termoelementer bestemmes af GOST 6616-94. Standardtabeller til termoelektriske termometre - nominelle statiske konverteringsegenskaber (NSC), toleranceklasser og måleområder er angivet i IEC 60584-1.2-standarden og i GOST R 8.585-2001.
- platin-rhodium-platin - TPP13 - Type R
- platin-rhodium-platin - TPP10 - Type S
- platin-rhodium-platin-rhodium - TPR - Type B
- jern-konstantan (jern-kobber-nikkel) TLC - Type J
- kobber-konstantan (kobber-kobber-nikkel) TMKn - Type T
- nichrosil-nisil (nikkel-chrom-nikkel-nikkel-silicium) TNN - Type N.
- krom-aluminium - TXA - Type K
- chromel-constantan TChKn - Type E
- chromel-copel - THK - Type L
- kobberkopel - TMK - Type M
- silkh-silin - ТСС - Type I
- wolfram og rhenium - wolfram rhenium - TVR - Type A-1, A-2, A-3
Den nøjagtige legeringssammensætning af termoelementer til basismetaltermoelementer er ikke angivet i IEC 60584-1. НСХ for chromel-copel termoelementer ТХК og wolfram-rhenium termoelementer er kun defineret i GOST R 8.585-2001. Der er ingen termoelementdata i IEC-standarden. Af denne grund kan egenskaberne ved importerede sensorer fremstillet af disse metaller afvige væsentligt fra indenlandske, for eksempel kan importeret type L og indenlandsk THK ikke udskiftes. Samtidig er importeret udstyr som regel ikke designet til den indenlandske standard.
IEC 60584-standarden er i øjeblikket under revision. Det er planlagt at indføre standard wolfram-rhenium-termoelementer af type A-1, for hvilke NSX vil svare til den russiske standard, og type C i henhold til ASTM-standarden [6].
I 2008 introducerede IEC to nye typer termoelementer: guld-platin og platin-palladium. Den nye IEC 62460-standard opretter standardtabeller til disse rene metal termoelementer. Der er ingen lignende russisk standard endnu.
Kontrol af termoelementets funktion
Hvis termoelementet fejler, kan det ikke repareres. Teoretisk kan du selvfølgelig rette det, men om enheden viser den nøjagtige temperatur efter det er et stort spørgsmål.
Nogle gange er svigt af et termoelement ikke indlysende og åbenlyst. Dette gælder især for gasvandvarmere. Princippet om drift af et termoelement er stadig det samme. Det spiller dog en lidt anden rolle og er ikke beregnet til at visualisere temperaturaflæsninger, men til ventilbetjening. Derfor er det nødvendigt at tilslutte en måleindretning (tester, galvanometer eller potentiometer) til det for at opdage en funktionsfejl i et sådant termoelement og opvarme termoelementets overgang. For at gøre dette er det ikke nødvendigt at holde det over åben ild. Det er nok bare at presse det i en knytnæve og se, om enhedens pil vil afvige.
Årsagerne til svigt af termoelementer kan være forskellige. Så hvis du ikke sætter en speciel afskærmningsenhed på termoelementet anbragt i vakuumkammeret på ion-plasma-nitreringsenheden, bliver det over tid mere og mere skrøbeligt, indtil en af lederne går i stykker. Derudover er muligheden for forkert drift af termoelementet på grund af en ændring i elektrodernes kemiske sammensætning ikke udelukket. Når alt kommer til alt er de grundlæggende principper for termoelementet krænket.
Gasudstyr (kedler, søjler) er også udstyret med termoelementer. Hovedårsagen til elektrodefejl er oxidative processer, der udvikler sig ved høje temperaturer.
I tilfælde af, at aflæsningerne af enheden bevidst er falske, og under en ekstern undersøgelse blev der ikke fundet svage klemmer, så ligger årsagen sandsynligvis i svigt af kontrol- og måleenheden. I dette tilfælde skal den returneres til reparation.Hvis du har de relevante kvalifikationer, kan du prøve at foretage fejlfinding selv.
Og generelt, hvis potentiometernålen eller den digitale indikator viser i det mindste nogle "livstegn", så er termoelementet i god stand. I dette tilfælde er problemet helt klart noget andet. Og følgelig, hvis enheden ikke reagerer på nogen måde på åbenlyse ændringer i temperaturregimet, kan du sikkert ændre termoelementet.
Inden du demonterer termoelementet og installerer et nyt, skal du dog sikre dig, at det er defekt. For at gøre dette er det nok at ringe til termoelementet med en almindelig tester, eller endnu bedre, måle udgangsspændingen. Kun et almindeligt voltmeter kan næppe hjælpe her. Du skal bruge et millivoltmeter eller en tester med evnen til at vælge en måleskala. Den potentielle forskel er trods alt en meget lille værdi. Og en standardenhed vil ikke engang mærke det og vil ikke rette det.
Designfunktioner
Hvis vi er mere omhyggelige med processen med at måle temperaturen, udføres denne procedure ved hjælp af et termoelektrisk termometer. Det vigtigste følsomme element i denne enhed er et termoelement.
Selve måleprocessen sker på grund af skabelsen af en elektromotorisk kraft i termoelementet. Der er nogle funktioner i en termoelementenhed:
- Elektroderne er forbundet i termoelementer for at måle høje temperaturer på et tidspunkt ved hjælp af lysbuesvejsning. Ved måling af små indikatorer oprettes en sådan kontakt ved hjælp af lodning. Specielle forbindelser i wolfram-rhenium- og wolfram-molybdænindretninger udføres ved hjælp af stramme vendinger uden yderligere behandling.
- Forbindelsen af elementerne udføres kun i arbejdsområdet, og langs resten af længden er de isoleret fra hinanden.
- Isoleringsmetoden udføres afhængigt af den øvre temperaturværdi. Med et værdiområde fra 100 til 120 ° C anvendes enhver form for isolering, inklusive luft. Porcelænsrør eller perler anvendes ved temperaturer op til 1300 ° C. Hvis værdien når 2000 ° C, anvendes et isolerende materiale af aluminiumoxid, magnesium, beryllium og zirconium.
- Der anvendes et ydre beskyttelsesdæksel afhængigt af det miljø, hvor temperaturen måles. Det er lavet i form af et metal- eller keramikrør. Denne beskyttelse giver vandtætning og overfladebeskyttelse af termoelementet mod mekanisk belastning. Det ydre dækmateriale skal kunne modstå høj temperatureksponering og have fremragende varmeledningsevne.
Det vil være interessant for dig Installation af et elektrisk panel under måleren og maskinerne
Sensorens design afhænger stort set af betingelserne for dens anvendelse. Ved oprettelse af et termoelement tages der hensyn til rækkevidden af målte temperaturer, det ydre miljøs tilstand, termisk inerti osv.
Fordele ved termoelement
Hvorfor er termoelementer ikke blevet afløst af mere avancerede og moderne temperaturmålesensorer gennem en så lang driftshistorie? Ja, af den enkle grund, at indtil nu ingen andre enheder kan konkurrere med det.
For det første er termoelementer relativt billige. Selvom priserne kan svinge inden for en bred vifte som følge af brugen af visse beskyttelseselementer og overflader, stik og stik.
For det andet er termoelementer uhøjtidelige og pålidelige, hvilket gør det muligt at betjene dem med succes i aggressive temperatur- og kemiske miljøer. Sådanne enheder er endda installeret i gaskedler. Princippet om drift af et termoelement forbliver altid det samme, uanset driftsforhold. Ikke alle andre sensortyper er i stand til at modstå en sådan påvirkning.
Produktion og fremstillingsteknologi for termoelementer er enkel og nem at implementere i praksis.Groft sagt er det nok bare at vride eller svejse enderne af ledninger fra forskellige metalmaterialer.
En anden positiv egenskab er målingernes nøjagtighed og den ubetydelige fejl (kun 1 grad). Denne nøjagtighed er mere end nok til behovene i industriel produktion og til videnskabelig forskning.
Typer af termoelementkryds
Den moderne industri producerer flere designs, der bruges til fremstilling af termoelementer:
- med et åbent knudepunkt
- med et isoleret kryds
- med et jordforbindelse.
Et træk ved termokobler med åbent kryds er dårlig modstandsdygtighed over for ydre påvirkninger.
Følgende to typer konstruktion kan bruges til måling af temperaturer i aggressive medier, der har en destruktiv virkning på kontaktparret.
Derudover mestrer industrien på nuværende tidspunkt ordninger til produktion af termoelementer ved hjælp af halvlederteknologier.
Ulemper ved termoelement
Der er ikke mange ulemper ved et termoelement, især når man sammenligner med dets nærmeste konkurrenter (temperaturfølere af andre typer), men de er stadig, og det ville være uretfærdigt at tie om dem.
Så den potentielle forskel måles i millivolt. Derfor er det nødvendigt at bruge meget følsomme potentiometre. Og hvis vi tager højde for, at måleinstrumenter ikke altid kan placeres i umiddelbar nærhed af stedet for indsamling af eksperimentelle data, skal der bruges nogle forstærkere. Dette medfører en række ulemper og fører til unødvendige omkostninger i organisationen og forberedelsen af produktionen.
Typer termoelementer
- Krom-aluminium
... De bruges hovedsageligt i industrien. Karakteristiske træk: bredt temperaturområde af målinger -200 ... + 13000 ° C, overkommelig pris. Ikke godkendt til brug i butikker med et højt svovlindhold. - Chromel-copel
... Applikationen svarer til den tidligere type, funktionen er kun bevarelse af ydeevne i ikke-aggressive flydende og gasformige medier. Ofte brugt til at måle temperaturer i ovne med åben ild. - Jernkonstant
... Effektiv i en sjælden atmosfære. - Platin-rhodium-platin
... Dyreste. De er kendetegnet ved stabile og nøjagtige aflæsninger. Bruges til at måle høje temperaturer. - Wolfram-rhenium
... Normalt har de beskyttelsesovertræk i deres design. Det vigtigste anvendelsesområde er måling af medier med ultrahøje temperaturer.
